本发明涉及电子自旋分析领域， 特别是涉及一种图像型电子自旋分析器。 背景技术

目前， 对电子自旋进行测量的器件主要有 Mott 探测器、 Spin-LEED 探测器、 及 VLEED 探测器等。 其中， Mott探测器的测量方式是： 先将电子加速到 20-100 KeV的动能， 然后使 电子在具有高自旋轨道相互作用的高 Z元素靶上散射， 通过测量散射电子强度的不对称性来 测量入射电子的自旋； Spin-LEED探测器是通过测量电子在 W ( 100) 单晶表面衍射斑点强度 的非对称性来测量电子的自旋； VLEED 探测器是最近发展的新测量器件， 其测量方式是： 首 先将电子动能加 （减） 速到 6 eV, 然后分别测量电子在 +Z 及 -Z 方向磁化的 Fe ( 001 ) - p (lxl) 0靶上的反射率， 通过测量此两反射率的相对差异来测量入射电 子在 Z方向的自旋。

VLEED探测器是目前测量效率最高的电子自旋� ��析器。

例如， 如图 1所示， 其为现有 VLEED探测器的电子自旋测量原理示意图。 初始电子平面 11的 a点处的入射电子经过电子透镜 12后入射至散射靶 13， 由该散射靶 13散射后经过电 子透镜 14到达至二维图像型电子探测器 15的 A点。 同样， 初始电子平面 11的 b点处的入 射电子经过类似的路径到达二维图像型电子探 测器的 B 点。 若入射电子垂直入射至散射靶 13， 则经过散射靶 13弹性散射后的出射电子也垂直散射靶 13， 但如此一来， 显然二维图像 型电子探测器就会阻挡入射电子束， 故目前的 VLEED 自旋探测器采用使入射电子斜射至散射 靶 13。 由于 VLEED 的探测效率随着入射角 （即电子束与散射靶法线间的夹角） 的加大而下 降， 故需要选取较小的入射角， 而考虑到电子透镜 12和电子透镜 14的尺寸等因素， 入射角 不能过小， 因此通常将入射角选取为 7°， 如图 1所示。 由于入射角不为零， 入射电子轨道和 出射电子轨道不同， 入射电子和出射电子不能采用同一电子透镜， 这样， 由于几何限制， 电 子光学透镜 12和 14的尺寸较小，导致出现较大的像差， 也就是来自 a点的各入射电子在电 子探测器上会形成以 A点为中心的较大束斑， 同样， 来自 b点的各入射电子在电子探测器上 会形成以 B点为中心的较大束斑， 由于束斑较大， 导致以 A点为中心的束斑与以 B点为中心 的束斑会部分重叠。 又因为束斑无法区分， 导致现有 VLEED探测器无法基于束斑来区分入射 电子的来源位置， 也就是说， 无法区分入射电子是来自 a点还是来自 b点。 该种无法区分入 射电子的来源位置的探测器被称为单通道探测 器； 能基于束斑来区分入射电子的来源位置的 探测器被称为多通道探测器或图像型探测器。 目前运行的电子自旋分析器几乎都是单通道 的。 为了提高电子自旋测量的效率， 实现电子自旋的多通道测量一直是科研技术人 员关注的 焦点。

现今唯一报道的多通道电子自旋分析器是由德 国的 Kirschner研究组创制的 Spin_LEED 图像型自旋分析器。 该分析器的入射电子以 45°角入射至 W ( 100) 靶， 入射电子束与散射电 子束形成 90°的夹角， 由于入射电子在该 W ( 100) 靶背面形成的虚像面及电子探测器平面均 与电子光学轴相垂直， 故电子光学系统具有较小的像差， 可以区分入射电子的来源位置。 但 是， spin-LEED 分析器进行电子自旋测量是基于自旋轨道相互 作用， 其效率仅为基于强相关 联相互作用的 VLEED分析器的十分之一。 此外， 由于 spin-LEED分析器所采用的 W ( 100) 靶不能被磁化， 故需要将样品先后经过相反方向的磁化， 并分别测量不同磁化方向时电子的 反射强度， 通过反射强度的差来确定从样品发出的电子的 自旋极化度。 由于该测量方式需要 对样品进行磁化， 仅能对铁磁性样品进行测量。 而具有自旋轨道耦合的非铁磁性样品中的电 子自旋状态研究是凝聚态物理的前沿， 故急需基于其它原理的多通道电子自旋分析器 。 发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种通用及更高效率的 图像型电 子自旋分析器， 以实现电子自旋的多通道测量。

为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种图像型电子自旋分析器， 其至少包 括： 散射靶、 二维图像型电子探测器、 以及电子弯转单元； 其中， 所述电子弯转单元用 于使入射电子聚焦后弯转第一角度、 再以最优入射角聚焦入射至所述散射靶以及使 所述 散射靶散射出的出射电子聚焦后弯转第二角度 ， 再以最优出射角聚焦出射至所述二维图 像型电子探测器， 且入射电子的运动轨道与出射电子的运动轨道 分离， 第一角度及第二 角度中至少一者不为 0°。

优选地， 所述电子弯转单元为一种使聚焦后的出射电子 弯转第二角度后聚焦垂直到达至 所述二维图像型电子探测器的单元； 更为优选地， 所述第二角度的范围为 [0°， 180°]。

优选地， 所述电子弯转单元为一种使聚焦后的入射电子 弯转第一角度后聚焦垂直入射至 所述散射靶的单元； 更为优选地， 所述第一角度的范围为 [0°， 180°]。

优选地， 所述电子弯转单元包括产生磁场的磁场产生单 元及电子透镜； 更为优选地， 使 弯转第一角度的入射电子聚焦的电子透镜与使 出射电子聚焦后再弯转第二角度的电子透镜为 同一电子透镜； 所述磁场产生单元包括主二极磁铁和至少一个 用于对主二极磁铁产生的磁场 的边缘进行修正并对电子束进行垂直于电子弯 转平面方向的聚焦的矫正磁铁。

优选地， 所述散射靶包括 Fe ( 001 ) -P (1x 1) 0靶或 W ( 100) 靶。

如上所述， 本发明的图像型电子自旋分析器， 具有以下有益效果： 通过电子轨道的弯转 可以实现入射电子轨道和出射电子轨道的分离 ， 从而可以避免电子透镜及电子探测器的几何 配置困难， 并可以使电子透镜系统采用较大的尺寸从而获 得较小的像差； 此外， 还可保证初 始电子平面、 靶平面与电子探测器平面均与电子光学轴垂直 ， 从而可以实现真正的二维成 像， 减小像差， 增加电子自旋测量的通道数。 附图说明

图 1显示为现有 VLEED探测器的电子自旋测量原理示意图。

图 2显示为本发明的一种优选图像型电子自旋分� �器的电子运动轨道示意图。

图 3显示为本发明的另一种优选图像型电子自旋� �析器的电子运动轨道示意图。 元件标号说明

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方 式， 熟悉此技术的人士可由本说明书所揭 露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效 。

请参阅图 2至图 3。 须知， 本说明书所附图式所绘示的结构、 比例、 大小等， 均仅用以 配合说明书所揭示的内容， 以供熟悉此技术的人士了解与阅读， 并非用以限定本发明可实施 的限定条件， 故不具技术上的实质意义， 任何结构的修饰、 比例关系的改变或大小的调整， 在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的 目的下， 均应仍落在本发明所揭示的技术内容 所涵盖的范围内。 同时， 本说明书中所引用的如 "上" 、 "下" 、 "左" 、 "右" 、 "中 间"及 "一"等的用语， 亦仅为便于叙述的明了， 而非用以限定本发明可实施的范围， 其相 对关系的改变或调整， 在无实质技术内容的变更下， 当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种图像型电子自旋分析器。 所述图像型电子自旋分析器至少包括： 散射 靶、 二维电子图像探测器、 以及电子弯转单元。

所述散射靶是能使电子发生散射的器件， 优选地， 包括但不限于： Fe ( 001 ) -p (lx l) 0 靶或 W ( 100) 靶等。

所述二维图像型电子探测器是一种能记录由散 射靶散射出的出射电子强度的器件。 一种 比较常用的二维图像型电子探测器由微通道板 （MCP)、 荧光板及高感度相机构成； 另一种比 较常用的二维图像型电子探测器由微通道板 （MCP) 及延迟线探测器 （DLD) 构成。

所述电子弯转单元用于使入射电子聚焦后弯转 第一角度， 并以最优入射角聚焦入射至所 述散射靶以及使所述散射靶散射出的出射电子 聚焦后弯转第二角度， 并以最优出射角聚焦出 射至所述二维图像型电子探测器， 且入射电子的运动轨道与出射电子的运动轨道 分离， 第一 角度及第二角度中至少一者不为 0°。

若散射靶采用 Fe ( 001 ) -p (lx l) 0靶， 则最优入射角及最优出射角均为 0°， 也就是入射 电子束聚焦垂直入射至 Fe ( 001 ) -p (lxl) 0靶、 出射电子束在弯转第二角度后通过电子透镜 聚焦垂直到达二维图像型电子探测器， 即此时电子束中心线与二维图像型电子探测器 平面垂 直。

其中， 第一角度及第二角度基于散射靶、 二维图像型电子探测器及初始电子平面的位置 来确定， 优选地， 第一角度及第二角度的范围均为 [0°， 180°] ， 但两者不同时为 0°。

优选地， 所述电子弯转单元可包括产生磁场的磁场产生 单元及电子透镜。

例如， 如图 2 所示， 电子弯转单元包括： 磁场产生单元以及电子透镜 31、 电子透镜 32、 电子透镜 33， 该磁场产生单元包括用于形成主磁场区 61 的主二极磁铁及用于修正主磁 场区 61的边缘区域的矫正磁铁 62， 初始电子平面 2处于电子透镜 31的焦平面上、 散射靶 4 处于电子透镜 32的焦平面上、 二维图像型电子探测器 5处于电子透镜 33的焦平面上， 散射 靶 4、 二维图像型电子探测器 5及初始电子平面 2均处于主磁场区 61 的同侧， 则来自初始 电子平面处的入射电子经过电子透镜 31 后进入磁场产生单元产生的磁场区， 该磁场产生单 元使入射电子弯转 180 °后经由电子透镜 32垂直入射至散射靶 4， 经过散射靶 4散射的出射 电子经过电子透镜 32 后再一次进入磁场产生单元产生的磁场区， 该磁场产生单元使出射电 子再一次弯转 180 °后经由电子透镜 33垂直到达二维图像型电子探测器 5。

又例如， 如图 3 所示， 电子弯转单元包括： 磁场产生单元以及电子透镜 3 、 电子透 镜 32' 、 电子透镜 33' ， 该磁场产生单元包括用于形成主磁场区 6 的主二极磁铁及分 别用于修正主磁场区 6 的边缘区域 62' 、 63' 、 64' 的 3个矫正磁铁； 其中， 初始电子 平面 2' 处于电子透镜 3 的焦平面上、 散射靶 4' 处于电子透镜 32' 的焦平面上、 二维图 像型电子探测器 5' 处于电子透镜 33' 的焦平面上， 散射靶 4' 、 二维图像型电子探测器 5' 及初始电子平面 2' 分别处于磁场产生单元形成的主磁场区 6 的不同侧， 则来自初始 电子平面 2' 处的入射电子经过电子透镜 3 后进入磁场产生单元产生的磁场区， 该磁场产 生单元使入射电子弯转 90 °后经由电子透镜 32' 垂直入射至散射靶 4' ， 经过散射靶 4' 散 射的出射电子经过电子透镜 32' 后再一次进入磁场产生单元产生的磁场区， 该磁场产生单 元使出射电子再一次弯转 90 °后经由电子透镜 33' 垂直到达二维图像型电子探测器 5' 。

需要说明的是， 上述矫正磁铁不仅能与主二极磁铁配合形成理 想的磁场分布， 还能消除 主二极磁铁磁场对电子束聚焦的各向异性； 此外， 前述聚焦包括聚焦于无限远的情形。

需要说明的是， 本领域技术人员应该理解， 上述所述仅仅只是列示， 而非对本发明的限 制， 事实上， 任何能使入射电子束弯转第一角度后以最优入 射角入射至散射靶、 同时能使从 散射靶散射出的出射电子束弯转第二角度后以 最优出射角到达二维图像型电子探测器的电子 弯转单元均包含在本发明的范围内。

以下将以采用 Fe ( 001 ) -p (lxl) 0 靶来详述本发明的图像型电子自旋分析器的工 作过 程：

如图 2 所示， 首先， 将 Fe (001 ) -p (lxl) 0靶 4 沿某一方向， 例如 +Z 方向磁化， 然 后， 图像型电子自旋分析器的初始电子平面 2处的入射电子经过电子透镜 31后进入电子弯 转单元形成的磁场区， 并在磁场作用下， 入射电子向上弯转 180°后经过电子透镜 32垂直入 射至 Fe ( 001 ) -p (lxl) 0 靶 4， 并二维成像于 Fe (001) -p (1x1) 0 靶 4 上； 随后， 从 Fe (001 ) -p (lxl) 0靶 4弹性散射出的出射电子经过电子透镜 32后进入电子弯转单元， 并在 电子弯转单元的磁场作用下， 出射电子向上弯转 180°后经过电子透镜 33垂直到达二维电子 图像探测器 5， 并再一次二维成像于二维图像型电子探测器 5的入口面上， 所述二维电子图 像探测器的高感度相机记录荧光板上的二维电 子强度图像。

接着， 再将 Fe (001 ) -p (lxl) 0靶 4 沿- Z方向磁化， 再次记录荧光板上的二维电子强 度图像。

最后， 基于两次测量得到的二维电子强度图像中对应 像素点的电子强度差正比于初始电 子平面处对应位置的入射电子沿 z方向的自旋极化度， 可以确定初始电子平面上各点处入射 电子的自旋极化度。

由上可见， 通过电子轨道的弯转不仅可以实现入射电子轨 道和出射电子轨道的分离。 同 时， 由于初始电子平面、 靶平面与二维图像型电子探测器平面均与光学 轴垂直， 且使弯转第 一角度的入射电子聚焦的电子透镜与使出射电 子聚焦后再弯转第二角度的电子透镜是同一电 子透镜， 由此可使得电子透镜的尺寸加大， 进而可以大幅度降低整个光学系统的像差， 因此 初始电子平面处的各个位置点的入射电子经过 散射后， 在二维图像型电子探测器平面处形成 的束斑非常小， 相互之间不再重叠， 因此， 每一束斑能与初始电子平面处的相应位置点的 入 射电子对应， 也就是能区分入射电子的来源位置， 因此， 本发明的图像型电子自旋分析器能 实现电子自旋的多通道测量。

基于前述所述， 采用 F _e (001) -p (lxl) 0靶， 则可以构建出 VLEED型多通道电子自旋分析 器； 而若采用 W靶， 则可以构建 spin-LEED型多通道电子自旋分析器。

综上所述， 本发明的图像型电子自旋分析器通过采用磁场 使电子弯转， 可以实现入射电 子轨道与出射电子轨道的分离， 并可以使入射电子以最优入射角入射至散射靶 ， 并使出射电 子以最优出射角到达二维图像型电子探测器， 进而可以分别实现自旋探测器初始平面处电子 图像到散射靶平面的第一次二维成像及从靶平 面到二维图像型电子探测器平面的第二次二维 成像， 从而实现电子自旋的多通道测量。 由于该两次成像过程中物象平面均与电子光学 透镜 系统光轴相垂直， 从而可以保证实现真正的二维成像； 而且电子弯转单元的引进可以增加自 旋分析器各个组件的几何配置的自由度。 需要说明的是， 在这里， 真正的二维成像是指不考 虑像差的第一次成像像平面与靶平面完全重合 、 以及不考虑像差的第二次成像像平面与二维 电子图像探测器平面完全重合。

所以， 本发明有效地克服了现有技术中的种种缺点而 具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功 效， 而非用于限制本发明。 任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下 ， 对上述实施例进行修饰或改变。 因此， 举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发 明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。